Sistem baterai paling umum yang digunakan saat ini adalah Li-ion dan baterai SLA (yang biasa disebut AKI atau Accu).
Namun, kedua sistem tersebut memiliki tantangan dan batasan yang membutuhkan solusi yang lebih baik. Industri baterai dipenuhi dengan janji-janji yang tidak terealisasi tetapi kemajuan sedang dilakukan.
Menyimpan energi listrik secara murah tetap menjadi salah satu tantangan yang belum terpecahkan dalam masyarakat modern.
Dalam hal umur pakai, kemajuan sedang dilakukan dalam baterai lithium-ion dengan menggunakan material katoda kristal tunggal. Memperoleh umur pakai yang lebih lama dan menyimpan kapasitas yang lebih tinggi didorong oleh industri kendaraan listrik yang berusaha untuk mencapai umur baterai 15 tahun. Namun, selama ponsel di pasar konsumen menggunakan jenis Li-ion umum yang diisi hingga tegangan maksimum yang diizinkan, umur pakai akan singkat.
Baterai eksperimental kebanyakan berada di laboratorium yang dilindungi dari dunia luar dengan laporan yang menjanjikan tetapi bersifat satu sisi, sering kali untuk menarik investor. Beberapa desain menunjukkan hasil yang tidak realistis dengan tanggal rilis yang diantisipasi yang bergerak seiring waktu. Sebagian besar konsep menghilang dari arena baterai dan mati dengan anggun di laboratorium tanpa ada yang mendengar kepergiannya.
Sebagian besar baterai eksperimental dalam keluarga lithium memiliki satu kesamaan; mereka menggunakan anoda lithium logam untuk mencapai energi spesifik yang lebih tinggi daripada yang mungkin dengan katoda teroksidasi dalam lithium-ion, baterai yang umum digunakan saat ini.
Memenuhi persyaratan dasar dari baterai adalah sebuah tantangan. Komersialisasi tampaknya berkutat pada target yang selalu satu dekade ke depan, tetapi para ilmuwan tidak menyerah. Berikut beberapa baterai eksperimental paling menjanjikan.
Lithium-air (Li-air)
Lithium-air memberikan medan baru yang menarik karena baterai ini menjanjikan penyimpanan energi yang jauh lebih banyak dari yang mungkin dengan teknologi lithium-ion saat ini. Para ilmuwan meminjam ide dari Zinc-Air dan sel bahan bakar dalam membuat baterai “menghirup” udara.
Baterai menggunakan katoda udara katalitik yang menyediakan oksigen, elektrolit, dan anoda lithium.
Energi spesifik teoretis lithium-air adalah 13kWh/kg. Aluminium-air juga sedang dicoba, dan sedikit lebih rendah sekitar 8kWh/kg. Jika energi ini memang bisa disampaikan, logam-air, seperti yang juga dikenal, akan sebanding dengan bensin sekitar 13kWh/kg. Tetapi bahkan jika produk akhir hanya seperempat dari kerapatan energi teoretis, motor listrik dengan efisiensi lebih dari 90 persen akan menutupi kapasitas yang lebih rendahnya terhadap mesin bakar internal dengan efisiensi termal hanya 25–30 persen.
Li-air diusulkan pada tahun 1970-an dan mendapatkan minat baru pada akhir 2000-an, sebagian karena kemajuan dalam ilmu material dan usaha untuk menemukan baterai yang lebih baik untuk tenaga listrik. Bergantung pada bahan yang digunakan, lithium-air menghasilkan tegangan antara 1,7 dan 3,2V/sel. IBM, MIT, Universitas California dan pusat penelitian lainnya sedang mengembangkan teknologi tersebut.
Seperti baterai yang bernafas udara lainnya, daya spesifik mungkin rendah, terutama pada suhu dingin. Kemurnian udara juga dikatakan sebagai tantangan karena udara yang kita hirup di kota-kota kita tidak cukup bersih untuk lithium-air dan perlu disaring. Bagi kita semua yang kami tahu, baterai mungkin akan berakhir dengan kompresor, pompa, dan filter yang menyerupai sel bahan bakar, mengkonsumsi 30 persen dari energi yang dihasilkannya untuk dukungan tambahan agar tetap hidup.
Masalah lain adalah sindrom kematian mendadak. Lithium dan oksigen membentuk film peroksida lithium yang menghasilkan penghalang, yang mencegah pergerakan elektron dan menghasilkan penurunan tajam dalam kapasitas penyimpanan baterai. Para ilmuwan sedang bereksperimen dengan bahan tambahan untuk mencegah pembentukan film. Umur siklus juga perlu ditingkatkan; tes laboratorium saat ini hanya menghasilkan 50 siklus.
Lithium-metal (Li-metal)
Lithium-metal telah lama dianggap sebagai baterai isi ulang masa depan karena energi spesifiknya yang tinggi dan kemampuan muatan yang baik. Namun, deposisi lithium yang tidak terkendali menyebabkan pertumbuhan dendrit yang menimbulkan bahaya keselamatan dengan menembus pemisah dan menghasilkan pintu pendek listrik.
Setelah beberapa percobaan gagal untuk memasarkan baterai lithium-metal isi ulang, penelitian dan produksi terbatas dari baterai ini terus berlanjut. Pada tahun 2010, lithium-metal uji coba dengan kapasitas 300Wh/kg diinstal di sebuah kendaraan listrik eksperimental. DBM Energy, produsen Jerman dari baterai ini, mengklaim 2.500 siklus, waktu pengisian singkat, dan harga yang kompetitif jika baterai diproduksi secara massal.
Sebuah Audi A2 dengan baterai ini menempuh lebih dari 450km (284mi) dari Munich ke Berlin dengan sekali pengisian. Ada rumor bahwa mobil tersebut menghancurkan dirinya sendiri dengan api saat sedang diuji di laboratorium. Meskipun baterai lithium-metal lulus uji persetujuan yang ketat, keamanan jangka panjang masih menjadi masalah karena filamen metal dapat terbentuk yang mungkin menyebabkan pintu pendek listrik.
Pada 300Wh/kg, lithium-metal memiliki salah satu energi spesifik tertinggi dari baterai isi ulang berbasis lithium. NCA dalam Tesla S 85 memiliki 250Wh/kg, LMO dalam BMW i3 memiliki 120Wh/kg, dan kimia serupa dalam Nissan Leaf memiliki 80Wh/kg. Baterai BMW i3 dan Leaf dibuat untuk daya tahan tinggi; Tesla mencapainya dengan over-sizing.
Sebuah solusi untuk menghambat pertumbuhan dendrit mungkin sudah dekat. Untuk menghasilkan deposisi bebas dendrit pada baterai lithium-metal, tes sedang dilakukan dengan menambahkan nanobersih berlian sebagai aditif elektrolit. Ini bekerja berdasarkan prinsip bahwa lithium lebih suka diserap ke permukaan berlian, menghasilkan deposit yang seragam dan kinerja siklus yang ditingkatkan. Tes telah menunjukkan siklus yang stabil selama 200 jam, tetapi ini tidak akan memberikan jaminan yang cukup untuk aplikasi konsumen, seperti ponsel dan laptop. Bersamaan dengan pekerjaan penelitian, baterai lithium-metal mungkin memerlukan tindakan pencegahan lain termasuk elektrolit non-mudah terbakar, material elektroda yang lebih aman, dan pemisah yang lebih kuat.
Lithium Solid
Banyak penelitian dan pengembangan dilakukan dengan elektrolit solid yang berbeda, seperti elektrolit berbasis oksida anorganik dan sulfida, serta elektrolit solid polimer dan komposit.
Setiap jenis elektrolit solid memiliki tantangan untuk mencapai kematangan teknologi dan tidak ada dominasi pasar yang jelas dan teknologi pemenang yang dapat diamati sejauh ini.
Li-ion saat ini menggunakan anoda grafit dan ini mengurangi energi spesifik. Teknologi solid menggantikan grafit dengan lithium murni dan menggantikan elektrolit cair yang direndam dalam pemisah berpori dengan polimer solid atau pemisah keramik.
Ini menyerupai lithium-polimer 1970-an yang dihentikan karena alasan keamanan dan kinerja. (Lihat BU-206: Li-polimer: Zat Hype)
Baterai solid berbagi kemiripan dengan lithium-metal dan ilmuwan berusaha untuk mengatasi masalah pembentukan filamen logam (dendrit) bahkan dengan pemisah polimer kering dan keramik.
Tantangan tambahan adalah konduktivitas yang buruk pada suhu dingin, kesulitan untuk mendiagnosis masalah dalam sel, dan jumlah siklus yang rendah. Prototipe solid dikatakan hanya mencapai 100 siklus.
Baterai solid menjanjikan untuk menyimpan dua kali lipat energi dibandingkan dengan Li-ion biasa, tetapi kemampuan muatan mungkin rendah, membuatnya kurang cocok untuk powertrain listrik dan aplikasi yang membutuhkan arus tinggi.
Aplikasi yang ditargetkan adalah leveling beban untuk sumber energi terbarukan serta kendaraan listrik dengan memanfaatkan waktu pengisian pendek yang memungkinkan baterai ini.
Laboratorium penelitian, termasuk Bosch, memprediksi bahwa baterai solid mungkin akan tersedia secara komersial pada tahun 2020 dan diimplementasikan dalam mobil pada tahun 2025.
Pemerintah memberikan hadiah kepada perusahaan yang melakukan penelitian tentang baterai solid dengan hibah besar.
Laporan laboratorium membanggakan energi spesifik tinggi dan keamanan yang superior dengan tidak adanya elektrolit mudah terbakar, tetapi para ahli baterai belum yakin akan kelayakan untuk menggantikan Li-ion.
Seorang pakar baterai terkenal mengatakan: “Saya tidak bisa memahami bahwa baterai lithium solid bisa dibuat dengan cara yang ekonomis untuk bersaing dengan Li-ion menggunakan elektrolit cair dalam hal biaya per kWh, umur panjang, dan keamanan.” Baterai solid cenderung memiliki impedansi internal yang tinggi, memiliki kinerja yang buruk pada suhu rendah, dan rentan terhadap pertumbuhan dendrit.
Lithium-sulfur (Li-S)
Berdasarkan berat atom lithium yang rendah dan berat sulfur yang moderat, baterai lithium-sulfur menawarkan energi spesifik yang sangat tinggi sebesar 550Wh/kg, sekitar tiga kali lipat dari Li-ion.
Li-S juga memiliki daya spesifik yang baik sebesar 2.500W/kg. Selama pengosongan, lithium larut dari permukaan anoda dan terbalik saat pengisian dengan pelapisan kembali pada anoda.
Li-S memiliki tegangan sel 2.10V, menawarkan karakteristik pengosongan suhu dingin yang baik dan dapat diisi ulang pada suhu –60°C (–76°F).
Baterai ini ramah lingkungan; sulfur, bahan utamanya, tersedia melimpah. Harga US$250 per kWh dikatakan mungkin.
Sebuah Li-ion tipikal memiliki anoda grafit yang mengakomodasi ion-litium mirip seperti hotel yang memesan tamu.
Pada saat pengosongan, baterai melepaskan ion ke katoda, meniru tamu yang check out di pagi hari. Pada Li-S, grafit digantikan oleh logam lithium, katalis yang memberikan dua tugas sebagai elektroda dan pemasok ion lithium.
Baterai Li-S menyingkirkan “beban mati” dengan menggantikan katoda oksida logam yang digunakan dalam Li-ion dengan belerang yang lebih murah dan ringan. Belerang memiliki keuntungan tambahan yaitu melakukan pemesanan ganda atom lithium, sesuatu yang tidak bisa dilakukan Li-ion.
Tantangan dengan lithium-sulfur adalah umur siklus yang terbatas hanya sekitar 40–50 pengisian/pengosongan karena belerang hilang selama siklus dengan menjauh dari katoda dan bereaksi dengan anoda lithium. Laboratorium pengujian sekarang melaporkan perbaikan dengan mencapai 200 siklus.
Masalah lain adalah konduktivitas yang buruk, degradasi katoda belerang dari waktu ke waktu, dan stabilitas yang buruk pada suhu yang lebih tinggi. Sejak tahun 2007, insinyur Stanford telah bereksperimen dengan nanokawat. Percobaan dengan graphene juga sedang dilakukan dengan hasil yang menjanjikan.
Natrium-ion (Na-ion)
Natrium-ion merupakan alternatif biaya yang lebih rendah yang mungkin terhadap Li-ion karena natrium murah dan tersedia secara luas.
Dipisahkan pada akhir tahun 1980-an demi lithium, Na-ion memiliki keuntungan bahwa itu dapat sepenuhnya dikosongkan tanpa mengalami stres yang umum dengan sistem baterai lainnya.
Baterai ini juga dapat dikirim tanpa harus mematuhi Peraturan Barang Berbahaya.
Beberapa sel memiliki 3,6V, dan energi spesifiknya sekitar 90Wh/kg dengan biaya per kWh yang sama dengan baterai timbal asam.
Pengembangan lebih lanjut akan diperlukan untuk meningkatkan jumlah siklus dan menyelesaikan ekspansi volumetrik besar ketika baterai sepenuhnya terisi.
Lithium-mangan-ferrofosfat (LMFP)
Lithium-mangan-ferrofosfat dikatakan dapat meningkatkan kapasitas hingga 15% dari sistem Li-Phosphate LiFePO4 biasa.
Tegangan kerja rata-rata adalah 4.0V, energi spesifiknya adalah 135Wh/kg dan umur siklus dikatakan mencapai 5.000.
Manfaat ekonomis dan keamanan adalah manfaat lainnya, membuat baterai ini menjadi kandidat untuk powertrain listrik.
Elektroda Baterai Kering
Maxwell Technology telah mengembangkan elektroda baterai kering yang dapat meningkatkan energi spesifik Li-ion sebesar 50% menjadi 300Wh/kg dengan potensi hingga 500Wh/kg pada penghematan biaya produksi yang dikatakan.
Maxwell meminjam metode pelapisan kering dari pembuatan superkapasitor.
Data kinerja belum dipublikasikan. Informasi lebih lanjut seharusnya menjadi tersedia karena Tesla, Inc. telah membeli Maxwell.
Artikel ini telah direview oleh tim Teknis Matador Lectro.asia dengan pengalaman sudah mengerjakan baterai packing dengan BMS (Battery Management System) untuk berbagai merk motor listrik seperti Gelis, Viar, Tomara, Selis dan Motoriz.